Frekvencia-stabil lézeres rendszerek az űrben

JOKARUS-Teilelastik: Az első optikai frekvenciamérő bemutatása molekuláris jódon alapulva az űrben. (© HU Berlin/Franz Gutsch) / JOKARUS-berendezés: Az első optikai frekvenciamérő bemutatására szolgál, amely molekuláris jódon alapul az űrben. (© HU Berlin/Franz Gutsch)

A JOKARUS-kísérlet központi eleme: Sikeresen a világűrben alkalmazott mikrointegrált diódás lézer modul (ECDL-MOPA) a Ferdinand-Braun-Institutból, amely 1064 nm-es hullámhosszon bocsát ki. (© FBH/schurian.com)

Először sikerült egy molekuláris jód alapú frekvenciareferenciát bemutatni az űrben! Ami kicsit úgy hangzik, mint a tudományos-fantasztikus filmek, egy fontos lépés a lézerinterferometrikus távolságméréshez műholdak között vagy a jövőbeli globális navigációs műholdrendszerek optikai technológiákon alapuló fejlesztéséhez. A frekvenciareferencia tesztjeit május 13-án végezték a TEXUS54 magasságkutató rakéta fedélzetén. Egy kompakt lézerszabályozó rendszer, amelyet elsősorban a HU Berlin és a Ferdinand-Braun-Institut fejlesztett ki, demonstrálta űrképeségét.

A JOKARUS-kísérletben (Jód Kamm Rezonátor Súlytalanságban) első alkalommal kvalifikáltak egy aktív optikai frekvenciareferenciát molekuláris jód alapú rendszerrel az űrben. Az eredmények fontos mérföldkőnek számítanak az optikai órák űrben való alkalmazásának útján. Ilyen órák például a műholdas navigációs rendszerekben szükségesek, amelyek pontos helymeghatározási adatokat szolgáltatnak. Emellett alapvető fizikai kutatásokhoz, például gravitációs hullámok észleléséhez vagy a Föld gravitációs mezejének méréséhez elengedhetetlenek.

A kísérlet bemutatta egy frekvencianövelt 1064 nm-es Extended Cavity Diode Laser (ECDL) frekvenciastabilizálását egy molekuláris átmenetre jód esetében. Az integrált szoftver és az ehhez tartozó algoritmusok segítségével a lézerszabályozó rendszer teljesen önállóan működött. Összehasonlításképpen a ugyanazon űrutazás során egy másik kísérletben, a FOKUS II-ben optikai frekvenciamérést végeztek egy frekvenciamalommal.

Ez a know-how a kompakt diódalézer rendszerben rejlik

A JOKARUS-berendezést a Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin) irányításával fejlesztették ki a Joint Lab Laser Metrology keretében. A Joint Labet a Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) és a HU Berlin közösen működteti, és egyesíti mindkét intézmény tudásanyagát a űralkalmazásokhoz tervezett diódalézerrendszerek terén. Egy kvázi-monolitikus spektroszkópiai modult a Bremeni Egyetem biztosított, a működtető elektronika pedig a Menlo Systems-től származik.

A rendszer központi eleme egy mikrointegrált ECDL-MOPA, amelyben az ECDL a helyi oszcillátor (Master Oscillator, MO), míg egy bordázott hullámvezető félvezető erősítő (Power Amplifier, PA), amelyet a FBH fejlesztett ki és valósított meg. A 1064 nm-es lézermodul egy 125 x 75 x 22,5 mm³-es kis házban teljesen be van zárva, és 570 mW optikai teljesítményt nyújt, a szabadon futó lézer vonalvastagságán belül, amely 26 kHz (FWHM, 1 ms mérési idő). Egy polarizációt megőrző, optikai egymenetes módusú száloptikán keresztül a lézerfényt először két útra osztják, modulálják, frekvencianövelik és a Doppler-mentes szaturációs spektroszkópiához készítik elő. A német légtér- és űrkutatási központ (DLR) által támogatott technológiafejlesztés a JOKARUS-ban az előző küldetésekre, például a FOKUS, FOKUS reflight, KALEXUS és MAIUS projektekre épül.